합금원소의 영향, 금속의 합금 원소, 합금강, 강재

금속의 합금원소란?

<기출 - 금속재료>

17-1-10	10.탄화물형성원소5개를 쓰시오.
24-2-1	1. 탄소강에서 망간(Mn), 규소(Si), 인(P), 황(S), 구리(Cu) 원소가 강의 성질에 미치는 영향에대하여설명하시오.
23-2-2	2. 탄소강의 5대 원소 중 탄소를 제외한 성분이 기계적 성질에 미치는 영향에 대하여 설명하시오.
20-1-3	3. 철강의 합금원소에서 오스테나이트 결정립의 성장 방지 특성이 있는 원소를 5가지만 쓰시오.
20-3-1	1. Cr과 C를 다량 함유한 강은 다량의 고경도 크롬탄화물로 인하여 우수한 내마모성을 가지는 합금이다. 합금원소의 함량에 따라 아공정(hypo-eutectic) 합금과 과공정 (hyper-eutectic) 합금으로 구분할 때, 두 합금의 조성적 차이와 미세조직에 대하여 설명하시오.
17-3-4	4. 강에함유된S와 Cu가강의 열간가공성에 미치는 문제점 및그대책을설명하시오.
16-2-2	2. 탄소강에 Mn, Si, P, S 및 Cu의 원소가 일반적으로 함유되는 양과 기계적 성질에 미치는영향을설명하시오.
15-1-7	7. 그림은 철에 특정한 원소를 첨가할 경우 나타나는 다양한 Fe 계 상태도 형태 를 모식적으로 표시한 것이다. 각각의 상태도를 나타내는 원소들의 예를 한 가지씩 쓰시오.

 

 

1. 개요

 

1) 금속의 합금원소

합금강은 C량을 0.5%까지 억제하고 합금원소 첨가하여 기계적 성질과 화학적 성질을 개선한 강이다. 
순철은 철의 순도가 높은 금속으로, 탄소 함량이 거의 없거나 미미한 수준으로 존재하여 순수한 철의 성질을 나타낸다. 그러나 순철은 기계적 특성과 화학적 내구성이 제한적이어서 실용적인 공학적 요구를 충족하기 어렵기 때문에, 이에 따라 다양한 합금 원소를 첨가한 합금강이 널리 사용되고 있다 (순철 : 강도와 경도 부족, 내식성 부족, 다양한 요구 특성 미흡)

합금강, 철강, 강 합금 원소별 성분에 따른 성질과 특징 (철강 5대원소; C, P, S, Si, Mn), 합금원소(Mg,

합금원소별 역할, 네이버 블로그

기능별 첨가 원소, 네이버 블로그

 

2. 철강의 합금원소

 

1) 철강의 합금원소 종류

① 탄소 (C)

탄소는 강의 강도를 향상시키는데 가장 효과적이고 중요. 
철에 고용하고, 오스테나이트상태일때 퀜칭 열처리하여 마르텐사이트 조직을 형성시키게 함 

• 퀜칭시 경도, 강도를 향상시킴 
• Fe, Cr, Mo, V등의 원소와 화합하여 탄화물(금속간화합물)을 형성하여 기계적 성질을 향상시킴 

② 규소 (Si)

규소는 선철과 탈산제에서 투입되어 잔류하며, 보통 0.35-1%를 함유 

• 강의 인장강도, 탄성한계, 경도를 증대
• 연신율과 충격값 감소
• 결정립 조대화, 소성을 낮게 하여 냉간가공성이 나빠짐
• 용접성 저하 

③ 인 (P)

불순물로 분류 (원료에 포함되어있던 불순물이 항유된 것) 

Fe3P의 해로운 화합물 형성되어 석출해서 존재하거나, 혹은 유리상테의 P로 철 중에 고용되어 존재함 
극히 취약하고 편석되어있어(편석되기 쉬움) 확산속도가 매우 느려 풀림처리를 하여도 균질화되지 않음. (소성가공시 길게 늘어남)
대부분 인화철 상태로 응고시 결정입자 주위에 편석됨 (P가 농축된 부분에는 MnS, MnO 등의 슬래그 또한 함께 편석되며 P로인한 페라이트 띠모양조직이 됨(고스트라인 - ghost line) 

일반 강재 중 약 0.06% 이하로 포함되어있음
강 중 P의 분포 상황은 염화구리 용액으로 부식시켜 육안검사를 실시함 

• 경도와 인장강도를 증대시키고, 연신율 감소 (충격저항 저하)
• 템퍼링 취성 촉진
• 상온취성 유발 : 상온 이하에 있어 충격값을 급격히 저하시키고 가공시 균열이 발생하기 쉬운 여리고 취약한 재질을 만듬 (cold brittleness). 이를 방지하기 위해서는 P의 함량을 0.02% 이하로 만들어야함 
• 피삭성 개선
• 결정입자를 조대화

금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온

④ 황 (S)

불순물로 분류 
Mn과 결합하여 MnS를 형성 
Mn의 양이 부족할때는 FeS를 형성하는데, FeS는 결정립계에 그물 모양으로 석출되어 있고 매우 취약하며 용융점이 낮음 
열간 및 냉간가공시 균열 발생 가능 (보통 Mn:S의 비를 5:1) 

• 기계적 성질 악화 (인장력, 연신율, 충격치 감소) 
• Mn, Zn, Ti, Mo등의 원소와 결합하여 강의 피삭성 개선 

금속간 화합물, 비금속 개재물

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⑤ 망간 (Mn)

망간은 제강원료로 사용한 선철 중, 혹은 제강시 탈산 및 탈황제로 첨가되어 그 일부가 강 중에 남아있음
(탄소강 중 Mn량은 약 0.2-1% 수준) 
Mn의 일부는 강 중에 고용되어있고, 일부는 MnS의 형태로 결정립계에 혼재하고 있으나, 이는 FeS의 해보다 작음. 

• 강의 TTT선도를 장시간축으로 이동, 담금질의 임계냉각속도를 느리게하여 담금질 효과를 증대시킴(경화능이 증가함)
• 높은온도에서 결정의 성장을 방지
• 강의 기계적 성질을 증대시키나 연성은 약간 감소
• 강의 점성을 증대시키고, 고온가공을 용이하게 하나 냉간가공에는 분리함 
• 공구강에서는 담금질 균열을 야기시키기 때문에 그 함량을 0.2-0.4%로 제한함 
• 강에 점성 부여 (1~1.5% 함유시 강인강, 13%Mn + 1.3%C 함유된 오스테나이트강을 Hadfield강이라 부름 
• 약탈산제 (Fe-Mn) 페로망간은 망간 및 탄소함유량에 의해 분류하며 보통 주철 중의 망간 함유량을 조정하기 위해 사용, 탈산 및 탈황의 목적으로 사용됨
• 탄소강의 항복강도 향상 (펄라이트 미세화) : 기계적 성질 향상

망간이 오스테나이트영역에 미치는 영향, 네이버 블로그

⑥ 구리 (Cu) 

원료 선철 중 고용되었던 것으로, 탄소량이 많을수록 적게 포함되며, Ni의 영향과 흡사함 
강에 보통 0.1~0.3% 혼입 
고용강화효과, 미세석출에 의한 석출경화효과  

• 내산성, 내식성 현저히 증가 (P가 함께 존재할경우 더욱 효과적)
• 강도 및 경도 약간 증가 (연신율 저하)
• 적열취성 유발 (0.5% 함유시) : Ni, Mo 첨가시 현상을 현저히 개선 가능 
• A1변태점 저하 
• Cu양이 0.25% 이하이면 열간가공성은 영향 없으나 냉간가공성을 해침 

<강에 함유된 Cu, S가 강재의 열간가공성에 미치는 문제점 및 대책>

강재의 열간가공은 재결정 온도 이상의 가공을 의미 

S의 경우 고온에서 적열취성을 유발함
적열취성은 황(S)를 많이 함유한 탄소강이 약 950도에서 인성이 저하되는 특성을 의미한다 
(고온으로 가열시 저융점인 황이 액상이 되어 결정립계로 이동해 편석됨) 
FeS는 융점이 낮으므로(약 1200도) 고온에서 약하고, 가공시 파괴의 원인이 됨

Cu는 고온에서 표면 결함을 유발함
Cu는 철보다 융점이 낮아 열간가공 중 표면에서 농축되고, 고온에서 산화물 층과 함께 용융구리가 형성되며 표면 균열이 생길 수 있음. 또한 표면에 Cu가 농축되면 산화물과의 상호작용으로 균열이 심화됨
구리는 황과 마찬가지로 0.5% 이상 함유되었을 경우 적열취성의 원인이 되는데, 이는 고온 가열시 철보다 구리의 산화속도가 작으므로 강표면에 편재하다 열간가공 중 강재 내부로 침투하기 때문 
산화성 분위기에서 재가열시 결정립에 저융점상을 형성하여 연성이 감소함으로서 열간가공성을 악화시키고, 냉간가공시에도 연신 저하로 가공성을 해침 

이를 방지하기 위해, Cu 함량 관리, 산화 조건 조정(Cu 농축 억제 열처리 조건), 합금 설계 (Cu 취화 성질 완화) 
황 문제의 경우 망간 첨가, 황 함량 제어(탈황처리), 칼슘첨가 (황화물 구형화)를 통해 조치 

상온가공성, 금속의 가공성, 슬립(slip)이론

구리(Cu), 구리합금, 황동(brass), 청동(bronze)

 

2) 탄화물 형성 원소

합금 원소의 종류, 조합에 따라 여러 종류의 탄화물이 형성이 됨 
가장 대표적인 탄화물은 Fe3C(시멘타이트)

탄화물은 경도가 높고 단단하여 재료의 강도 등 기계적 성질을 증대시키는데 사용이 많이 됨
(TiC 등은 공구 코팅 재료로 사용됨)
이는 석출경화(Precipitation Hardening)에 해당하며, 석출경화는 과포화 고용체에서 탄화물과 금속간 화합물 등 다른 상이 석출되어 나올때 그 모재가 단단해지는 현상을 의미 

반면 크롬탄화물 등은 스테인리스강의 예민화 구간에서 형성될 경우 입계부식의 원인이 되기도 함 

• Cr →Cr23C6, (Cr,Mn,Fe)23C...
• W → WC
• Mo →Mo
• V →VC
• Ti →TiC
• Nb → NbC
• Mn
• C → Fe3C
• Ta
• Zr

공구 재료, 절삭 공구 재료, 공구 코팅, 구비조건, 초경합금, 소결 카바이드, 피복방법 (CVD, PVD)

금속의 표면경화법 정리, 금속의 강화기구, 표면처리

금속의 강화기구, 금속조직(결정립) 미세화 방안, 석출강화, 고용체강화, 가공경화

크롬이 오스테나이트 영역에 미치는 영향, 네이버블로그

<크롬 탄화물, Cr-C 평형상태도>
Q. Cr과C를다량함유한강은다량의고경도크롬탄화물로인하여우수한내마모성을가지는합금이다.합금원소의함량에따라아공정(hypo-eutectic)합금과과공정(hyper-eutectic)합금으로구분할때,두합금의조성적차이와미세조직에대하여설명하시오.

고크롬강(약 12% 이상)에 탄소까지 다량 함유한 강은 일반적으로 마르텐사이트계 스테인리스강으로 분류된다. 
13Cr강이 대표적인 마르텐사이트계 스테인리스강인데, 대체포 12-14%Cr, 0.15-0.3%C의 조성을 갖는다. 
탄화물의 영향을 받아 담금질성이 우수하나 용접성이 나쁘고, 풀림처리를 해도 냉간가공성이 좋지 않음 

담금질 온도는 Cr양이 많을수록 높아져, 13%Cr일때는 950-980도에서 실시하며 18%Cr일때는 1000-1050도로 실시함

베어링용강은 탄성한도와 피로한도가 높아야해서, 이 역시 고탄소 크롬강이 사용됨 

일반적으로 특수강 중 크롬강은 0.28-0.48%C강에 0.9-1.2%을 첨가한 것을 뜻함(SCr000)
오일 담금질-뜨임처리에 의해 Cr탄화물이 형성되고, 탄소강에 비해 경도가 높고 내마모성이 우수함
Cr강은 뜨임취성의 감수성이 높아 뜨임 후 급냉할 필요가 있음 

2개의 금속성분이 용융되어있는 상태에서는 서로 융합되어 균일한 액체를 형성하나, 응고 후에는 금속 성분이 각각 결정으로 되어 분리하며, 2개의 금속성분이 기계적으로 혼합된 조직이 되는데, 이와 같은 합금을 공정이라하고 이때 조직을 공정조직이라 함 
(액상에서 A, B금속으로 융합되지 않고 단순 혼합 상태 : 레데뷰라이트, 펄라이트) 

공정반응은 액상이 냉각중에 2 개의 고상으로 등온, 가역적으로 변태하는 반응이다 
레데뷰라이트는 시멘타이트 속에 반점상의 펄라이트가 나타나는 공정조직
0.8% 공석조직을 펄라이트라고 하며, 4.3% 공정조직을 레데뷰라이트라고 함 (100% 레데뷰라이트)
4.3%이하에서는 용융금속에서 초정 𝛄고용체가 정출되고, 4.3% 이상에서는 초정 시멘타이트가 정출됨 
즉, 4.3% 이상인 과공정조직에서는 레데뷰라이트 + 시멘타이트가 형성이 되고
즉, 4.3% 이하인 아공정조직에서는 오스테나이트레데뷰라이트 및 시멘타이트가 형성이 되고, 이후 냉각이 되면 시멘타이트, 펄라이트, 변형된 레데뷰라이트가 형성이 된다 
(액산선 이하부터 오스테나이트 결정이 정출되고, 1140도부터 오스테나이트, 시멘타이트 혼합물이 형성되며 723도부터 펄라이트, 레데뷰라이트, 시멘타이트 혼합조직이 형성이 된다

아공정합금은 아공정영역 (C 4.3% 이하 범위)에서 형성되는 합금이고, 과공정합금은 그 이후에서 형성되는 합금이다. 
Fe-C계에서 Cr이 첨가되면 Fe3C중의 Fe의 일부가 Cr과 치환하여 (Fe,Cr)3C가 형성되고 Cr탄화물 중 Fe가 치환고용한 (Cr,Fe)23C6 등이 나타나게 됨 

Fe-C 평형상태도

Fe-Cr 평형상태도

[열처리|금속재료, 2023] Fe-C계 평형상태도에서 공석반응(eutectoid reaction)과 공정반응(eutectic reaction)

공석점에서 아공석강, 과공석강의 냉각 경로

3) 오스테나이트 안정화 원소

오스테나이트 안정화라는 것은 기계적 안정성, 즉 외력에 대하여 본래의 결정구조인 FCC 구조를 유지할 수 있는 능력을 갖는 것. 
오스테나이트 안정화원소를 첨가하면 평형상태도에서 오스테나이트 영역이 넓어짐 
이 중 , Ni, Mn은 특히 𝛄영역을 아예 열어줘서 (open 𝛄-field) bcc ⍺철 영역을 완전히 대체하고 제거하게 되고, 따라서 상온에서도 오스테나이트 구조를 유지하게 되는 것 (그림 a 참고)

• Open  𝛄-field 
  • Mn
  • NI
• Expended 𝛄-field 
  • C
  • N
  • Cu
  • Zn
  • Au

오스테나이트 안정화 원소 첨가에 따른 감마상 영역 증대

오스테나이트 스테인리스강 상태도, HRD

 

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	N
STS304	0.08이하	1이하	2이하	0.045이하	0.03이하	8-10.5	18-20	-	-
STS304L	0.03 이하	1이하	2이하	0.045이하	0.03이하	9-13	18-20	-	-

<오스테나이트 결정립 성장 방지 원소>

오스테나이트계 스테인리스는 열처리를 통해 강화되지 않는다. 
따라서 어닐링된 상태의 오스테나이트계 스테인리스 강의 항복강도는 비교적 낮은데, 종래 스테인리스 강재들의 항복강도를 증대시키는 방법은 조질압연(가공경화)이다. 하지만 압연을 통한 가공경화는 강에 이방성이 형성되고 연신율을 희생시키는 단점이 존재한다 (이는 스테인리스강의 성형성 악화를 불러온다)

따라서 강의 결정립 성장 방지, 즉 결정립 미세화에 의한 강화가 효율적인 방법으로 사용됨 (Hall-Petch관계식)
동일한 원리로, 오스테나이트 스테인리스강에 결정립성장을 제한할 필요가 있는데 (고용화열처리 시 등) 스테인리스강에 탄화물 및 질화물 형성 원소들을 첨가함으로서 제한할 수 있다. 
해당 원소들은 탄화물, 질화물 들을 형성하는데 제너 피닝 효과(Zener pinning effect)로 인해 결정립 성장을 제한한다. 

<제너피닝효과>
결정립계의 이동이 석출 입자에 의해 저지되는 현상 
결정립 성장 과정, 혹은 재결정 과정에서 미세한 석출물들이 결정립계의 이동을 방해하여 결정립 크기를 안정화하는데 중요한 역할을 함. 결정립계는 재결정 및 고온가공시 높은 에너지상태를 가지며, 에너지를 낮추기 위해 이동하려는 경향이 있다(이때 결정립이 성장하게 된다). 이때 결정립계 경로에 미세한 석출 입자가 존재하면, 이 입자들은 결정립계의 이동을 저지하게 된다.

• 탄화물 형성 원소
  • Nb(니오븀)
  • Ti(티타늄)
  • V(바나듐) 
  • W(텅스텐)
  • Mo(몰리브덴)
• 질화물 형성 원소
  • Al(알루미늄)
  • Ti(티타늄)
  • Nb(니오븀)
• B(보론) : 선택적 확산 특성

금속의 강화기구, 금속조직(결정립) 미세화 방안, 석출강화, 고용체강화, 가공경화

스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트

 

4) 페라이트 안정화 원소

페라이트 안정화원소 (ferrite formers)는 상온에서 안정적인 페라이트(⍺철)의 형성을 촉진하는 합금원소로 알파철 구조의 영역을 확장시키고 탄소 용해도를 낮춘다
이들은 고온에서 오스테나이트의 안정성을 감소시키고 페라이트의 존재를 강화함 (오스테나이트 안정화 원소와 반대로 작용) 

• Cr(크롬) : 페라이트 영역을 확장시키는 대표적인 합금 원소 
• Mo(몰리브덴)
• Si(실리콘)
• W(텅스텐)
• Nb(니오븀)
• V(바나듐)

5) 탈산제

Fe-Si, Al,Ti 등은 강력한 탈산제 
Fe-Mn은 약탈산제

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

주철 용탕 처리 - 탈가스처리, 탈산처리(Deoxidiser)

 

6) 탈황제 

① 칼슘카바이드, 탄화 칼슘 (CaC2) 
융점이 1650도 정도의 높은 온도
탈황반응이 발열 반응이라 용탕의 온도가 저하되지 않음 
 
② 나트륨회, 탄산나트륨 (Na2CO3) 
융점이 850도 정도로 온도가 낮아서 탈황률이 양호
발생하는 슬래그의 유동성이 좋아 제거하기 곤란함
탈황시간이 길어지면 복황 현상이 발생
탈황반응은 흡열반응이기 때문에 용탕의 온도가 저하됨 
 
③ 생석회
 
④ 석회질소(CaCN2)

⑤ 수산화나트륨 (NaOH)
탈황률이 우수함 

⑥ 마그네슘 (Mg)

탈황법, 탈황제, 분사주입법, 포러스플러그법

 

 

3. 주철의 합금원소 및 첨가제

 

1) 주철의 합금원소

(1) 주철 5원소 종류
Mn (망간)Si (규소)C (탄소)S (황)P (인) 

(2) 합금 원소 종류
Cu (구리)Cr (크롬)Mo (몰리브덴)Ni (니켈)Ti (티타늄)W (텅스텐)Al (알루미늄)

주철의 3원소, 합금주철의 합금성분별 역할

 

2) 구상화제

구상화제는 마그네슘계, 칼슘계, 리어스계로 분류됨 (Mg, Ca, Ce)
처리가 간단하고 안전하며, 용탕에 용해 분산되어 용탕 중 교반을 발생시킴

흑연의 구상화처리에 사용되는 첨가금속은 Mg, Mg계 합금, Ca계 합금, 희토류 원소 합금 
가장 많이 사용하는 합금은 Mg 및 Mg계 합금

필요한 Mg 최소 함량은 0.01% 이상 (Mg만 첨가할 경우 0.2% 이상이여야함)
S가 많이 함유된 용탕은 MgS가 형성되므로 Mg의 최소 함량을 0.05%까지 높게 규정함 

접종제, 구상흑연주철(노듈라 주철, 덕타일 주철, ductile cast iron), 구상화제 (Ca, Ce, Mg), 구상화처리

구상흑연주철의 페딩 현상, 페이딩 현상 (Fading)

주철의 종류, 주철 명칭 KC규격, 합금성분의 성질, 주철형성과정, 주철의 성장, 주철의 수축

 

3) 흑연화 촉진제, 흑연화 저해제

흑연화 촉진제는 Si와 같이 흑연화 생성을 쉽게 하는 것이고 
Mn, Cr 등은 시멘타이트(Fe3C)의 발생을 쉽게 함 

Si의 흑연화 경향을 1로 했을때, Al은 0.5, Cu는 0.35, Mn은 -0.25. Ni는 0.3-0.4, Mo는 -0.35, Cr은 -1.2

(1) 흑연화 촉진제

• Ni
• Ti (탈산제임과 동시에 흑연화를 촉진하나, 너무 많이 첨가하면 흑연화 방지)
• Co
• Al
• Si (가장 대표적, 매우 심하게 촉진시킴)

(2) 흑연화 저해제

• Mo (다소 흑연화 방지, 그러나 1.5% 이하 적량을 사용하면 경도나 인장강도, 인성 등 기계적 성질이 좋아짐)
• S
• Cr (흑연화 방지와 동시에 탄화물 안정화)
• V (강력한 흑연화 방지 원소)
• Mn
• W

4) 접종제

구상화처리 후, 흑연 형상을 더욱 뚜렷하게 하고 (구상으로 하고), 흑연 입도를 조절하고, 칠화를 방지하며 펄라이트 기지를 페라이트기지로 변경하기 위해 특정 성분을 첨가하는 접종을 실시함. 주로 Fe-Si, Ca-Si를 접종제로 사용하며 Si량은 0.4% 이하이다

• Fe-Si
• Ca-Si

 

4. 알루미늄의 합금원소

 

1) 알루미늄의 합금 원소

아래 링크 참조

알루미늄 합금 구분, 알루미늄 합금 열처리 종류 구분, 열처리 기호

알루미늄 합금(Al-Cu, Al-Si), 알루미늄 합금 열처리, 시효경화 열처리, 시효(aging)

주조용 알루미늄 합금, 다이캐스팅 알루미늄 합금, 중력주조, AC4C, A356, ADC12

 

5. 참고자료

금속간 화합물, 비금속 개재물

상온가공성, 금속의 가공성, 슬립(slip)이론

내열합금, 인코넬 합금, Ni기 초내열합금, 터빈 재료, 일방향응고

 

금속의 결정 구조, BCC, FCC, HCP